CN109798972A - 微机械惯性传感器 - Google Patents
微机械惯性传感器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109798972A CN109798972A CN201811364079.0A CN201811364079A CN109798972A CN 109798972 A CN109798972 A CN 109798972A CN 201811364079 A CN201811364079 A CN 201811364079A CN 109798972 A CN109798972 A CN 109798972A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- electrode
- sensing direction
- constructs
- micromachined process
- way
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 55
- 230000008569 process Effects 0.000 title claims abstract description 43
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 24
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims abstract description 22
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 14
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 7
- 239000002346 layers by function Substances 0.000 description 9
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 8
- 230000008859 change Effects 0.000 description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 7
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 6
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 5
- 230000009471 action Effects 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 4
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 4
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 4
- 206010020751 Hypersensitivity Diseases 0.000 description 3
- 208000026935 allergic disease Diseases 0.000 description 3
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 description 3
- 230000009610 hypersensitivity Effects 0.000 description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 206010009192 Circulatory collapse Diseases 0.000 description 1
- 238000005411 Van der Waals force Methods 0.000 description 1
- -1 aluminium germanium Chemical compound 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 230000008447 perception Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000007634 remodeling Methods 0.000 description 1
- 230000000284 resting effect Effects 0.000 description 1
- 239000005394 sealing glass Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
- G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
- G01P15/125—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by capacitive pick-up
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
- B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
- B81B3/0064—Constitution or structural means for improving or controlling the physical properties of a device
- B81B3/0086—Electrical characteristics, e.g. reducing driving voltage, improving resistance to peak voltage
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
- B81B5/00—Devices comprising elements which are movable in relation to each other, e.g. comprising slidable or rotatable elements
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
- B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
- B81B2201/02—Sensors
- B81B2201/0228—Inertial sensors
- B81B2201/025—Inertial sensors not provided for in B81B2201/0235 - B81B2201/0242
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
- B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
- B81B2203/01—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement
- B81B2203/0136—Comb structures
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
- G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
- G01P2015/0805—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration
- G01P2015/0808—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate
- G01P2015/0811—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass
- G01P2015/0814—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining in-plane movement of the mass, i.e. movement of the mass in the plane of the substrate for one single degree of freedom of movement of the mass for translational movement of the mass, e.g. shuttle type
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
- G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
- G01P2015/0862—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with particular means being integrated into a MEMS accelerometer structure for providing particular additional functionalities to those of a spring mass system
- G01P2015/0871—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with particular means being integrated into a MEMS accelerometer structure for providing particular additional functionalities to those of a spring mass system using stopper structures for limiting the travel of the seismic mass
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Pressure Sensors (AREA)
Abstract
本发明涉及一种微机械惯性传感器(100)，具有：‑固定在衬底上的能运动的震动质量(20a)，该震动质量具有梳状构造的第一电极(20c)；‑固定在所述衬底上的第二电极(20d)，其中，所述电极(20c、20d)这样构造，使得在未施加外部加速度的情况下所述第一电极(20c)与所述第二电极(20d)沿传感方向的重叠部分(L)限定地小并且小于约35％、优选小于约25％。
Description
技术领域
本发明涉及一种微机械惯性传感器。本发明还涉及一种用于制造微机械惯性传感器的方法。
背景技术
长时间以来已知具有MEMS结构的微机械xy惯性传感器。该微机械xy惯性传感器可以具有构造在功能层中的震动质量，该震动质量通过弹簧锚固在衬底上。质量的偏移通常通过实施为平板电容器的电极测量。所述偏移改变电容器的平板的间距并且测量由此产生的电容变化。
发明内容
本发明的任务是提供具有改善的传感特性的微机械惯性传感器。
根据第一方面，所述任务通过以下微机械惯性传感器解决，该微机械惯性传感器具有：
-具有梳状构造的第一电极的、固定在衬底上的、可运动的震动质量；
-固定在衬底上的第二电极，其中，所述电极这样构造，使得在未施加外部加速度的情况下第一电极与第二电极沿传感方向的重叠部分限定地小并且小于约35％、优选小于约25％。
有利地，可以借助于梳状电极结构产生非常均匀的线性电信号。在梳状结构中，每单位偏移量的电容变化通过梳间距限定，并且最大偏移通过梳长度和在基本状态中的梳重叠部分限定。与此不同地，在传统的平板电容器组件中，每单位偏移量的电容变化和最大偏移均通过平板间距限定。
有利地，以该方式也可以提供传感器针对衬底扭曲的很大程度上的不敏感性。
在平板电容器组件中，通常使用两个差分布置的、相同大小的固定电极。在震动质量偏移时，所述质量相对于第一电极的间距增大的尺寸等于其相对于第二电极减小的尺寸。在静止位置中，震动质量刚好位于两个电极的中间。在所述电极上通常作用有分析处理电压，该分析处理电压将力施加到震动质量上。通过对称布置，两个电极施加到震动质量上的力刚好抵消。由于在具有间距的平板电容器中的力的非线性，通过震动质量的偏移干扰力平衡。自确定的点起，弹簧的复位力不再足够并且震动质量被完全拉到固定电极上。这导致坍塌(Kollaps)，并且在此震动质量剧烈加速并以大的速度撞到固定电极或为此特定设置的停止结构上。
与此相对地，在梳状结构中的力有利地与偏移无关。有利地，以该方式也可以提供微机械惯性传感器相对于分析处理电压的很大程度上的不敏感性。
此外，以该方式可以有利地防止以高速度碰撞在固定电极上或为此特定设置的停止结构上，该碰撞通过作用的电压引起。
在平板电容器组件中，在基本状态中的电容通过平板间距确定。每单位偏移量的电容变化同样通过平板间距确定。在梳状组件中，在基本状态中的电容通过在基本状态中的指间距和指重叠部分确定。
根据第二方面，所述任务通过用于制造微机械惯性传感器的方法解决，所述方法具有以下步骤：
-提供具有梳状构造的第一电极的、固定在衬底上的可运动的震动质量；
-提供固定在衬底上的第二电极，其中，所述电极这样构造，使得在未施加外部加速度的情况下第一电极与第二电极沿传感方向的重叠部分限定地小并且小于约35％、优选小于约25％。
在下面阐释微机械惯性传感器的优选扩展方案。
微机械惯性传感器的有利扩展方案的特征在于，在关于惯性传感器的测量范围而言的最大负加速度的情况下第一电极与第二电极沿传感方向这样重叠，使得第一电极和第二电极的端部区段限定地小地重叠或相对彼此小于第一和第二电极的端部区段之间的间距地间隔开。
以该方式，对于整个测量范围能够实现传感器的大的电敏感性。在施加超出传感器的测量范围的负加速度时，电极可以完全“从彼此抽出”。有利地，由此能够实现梳状电极沿反方向的偏移，该偏移比相应于最大测量加速度的偏移更大，由此可以节省芯片面积，并且同时在该梳状结构中也能够在该梳状结构中的基本电容小的情况下实现每单位偏移量的高电容变化。
微机械惯性传感器的另一有利的扩展方案的特征在于，第一和/或第二电极的至少一个区段不平行于传感方向地构造，并且不平行于传感方向构造的区段在机械方面不限制第一和/或第二电极沿传感方向的运动。
由此促进，在沿传感方向运动时改变在第一和第二电极之间的间距，由此促进微机械惯性传感器的提高的敏感性。在此，这样实施不平行的布置，使得所述电极在几何方面还可以完全沉入彼此或至少如在基本状态中的重叠那样远地沉入彼此。
微机械惯性传感器的另一有利的扩展方案的特征在于，第二电极的至少一部分这样构造，使得第二电极的宽度沿传感方向在传感区域之后构造成宽度保持不变或以扩宽的方式构造。以该方式促进微机械传感器的高传感敏感性。
微机械惯性传感器的另一有利的扩展方案的特征在于，震动质量通过弹簧元件附接在衬底上，其中，弹簧元件这样构造，使得弹簧刚性沿传感方向限定地软地构造并且正交于传感方向限定地硬地构造。以该方式，可以有利地提供传感器的主要沿传感方向的敏感性，而传感器正交于传感方向是尽可能不敏感的。
微机械惯性传感器的另一有利的扩展方案的特征在于，第一或第二电极的至少一部分在基本状态中的重叠部分的区域中这样构造，使得当电极沿传感方向沉入彼此时所述电极之间的间距在部分区域中减小。以该方式也促进微机械惯性传感器的高传感敏感性。
微机械惯性传感器的另一有利的扩展方案的特征在于，第一或第二电极的至少一部分在基本状态中的重叠部分之外的区域中这样构造，使得当电极沿传感方向沉入彼此时所述电极之间的间距在部分区域中增大。以该方式能够有利地实现，在剧烈偏移时在电极的机械碰撞之前减小电动力。
微机械惯性传感器的另一有利的扩展方案的特征在于，设有停止器元件，其中，借助于停止器元件可以限界第二电极到第一电极中的沉入深度。以该方式有利地促进，电极不彼此碰撞，而是在快要碰撞时停止。以该方式有利地促进惯性传感器的改善的传感特性和提升的运行寿命。止挡结构可以有利地具有电势，该电势与可运动的梳状结构的电势一致，以便防止短路和结构在止挡中的保持。
附图说明
下面参照多个附图通过其他特征和优点详细描述本发明。相同的或功能相同的元件具有相同的附图标记。附图尤其考虑用于阐释对本发明重要的原理并且不必按正确比例实施。出于更好的概要性可以设置为，没有在所有附图中标注所有的附图标记。
公开的方法特征类似地由相应公开的装置特征得出，反之亦然。这尤其意味着，关于用于制造微机械惯性传感器的方法的特征、技术优点和实施方案以类似的方式由关于微机械惯性传感器的相应实施方案、特征和优点得出，反之亦然。
在附图中示出：
图1传统的微机械惯性传感器的横截面视图；
图2传统的微机械惯性传感器的俯视图；
图3所提出的微机械惯性传感器的第一实施方式的俯视图；
图4所提出的微机械惯性传感器的实施方式的电极组件的俯视图；
图5所提出的微机械惯性传感器的另一实施方式的电极组件的俯视图；
图6所提出的微机械惯性传感器的另一实施方式的电极组件的俯视图；和
图7用于制造所提出的微机械惯性传感器的方法的原理流程。
具体实施方式
本发明的核心思想是提供具有改善的传感特性的微机械惯性传感器。
图1示出传统的微机械惯性传感器100的强烈简化的横截面视图。可看出可运动的MEMS结构或震动质量20a，该震动质量从由多晶硅制成的、厚的微机械第二功能层20中蚀刻出。该振动质量布置在由多晶硅制成的、薄的、埋入的第一功能层12上方，其中，该第一功能层本身通过氧化物层11锚固在衬底10上。在两个功能层12、20之间也设置有氧化物层。
在此，由多晶硅制成的、埋入的第一功能层12用作为电印制导线和/或电极。第二微机械功能层20通过沟槽过程和氧化物牺牲层方法露出。埋入的第一功能层12通过氧化物11与衬底10电隔离。印制导线和电极这样宽地设计，使得它们在氧化物-牺牲性氧化物蚀刻步骤中不被完全掏蚀并且以该方式稳定地锚固在衬底10上。
这样制造的可运动的震动质量20a大部分在进一步工序中以罩晶片40密封。根据应用情况，在由此封闭的容积50内部包含有合适的内压，其中，所述封闭大部分通过密封玻璃键合方法或通过共晶键合方法、例如通过铝锗键合实现。
如果制造加速度传感器，那么震动质量20a通常在第二功能层20中产生，该第二功能层通过弹簧元件20b和大部分同样在功能层中产生的附接元件21固定在衬底10上，如在图2的俯视图中示出的那样。为了能够测量悬置质量在外部作用有加速度时的偏移，通常探测在安置在震动质量20a上的电极面和固定锚固在衬底10上的电极面之间的电容变化。
为了得到尽可能大的电信号，电极20d这样布置，使得在外部作用有加速度时在电极和震动质量20a之间的间距改变。布置在埋入的多晶硅层中的电导线22设置用于电极20d的电接触。
这样布置的缺点可以是，由此基于平板电容器与平板间距的倒数值的相关性得到强烈非线性的电信号。
此外，缺点可以是，需要相对小的电极间距来得到大的电信号。衬底由于外部影响而产生的扭曲可能微小地改变电极间距，并且由此导致大的、不期望的电误差信号。
此外，这类传感器通常具有大的粘附倾向，该粘附倾向由系统决定地不能避免，如下面详细解释的那样。
探测原理导致，震动质量20a的运动自由度通过固定电极20d限制。震动质量20a悬挂在尽可能软的弹簧元件20b上，以便得到敏感的传感器。在此，缺点是，震动质量20a在小过载的情况下已经可能碰撞到固定电极20d上，并且以该方式可能产生在两个电极20d之间的电短路。视所使用的电子分析处理电路而定，可能出现电子分析处理电路的破坏或者也可能出现电极20d彼此焊住。因此，运动自由度通常通过具有与可运动的结构相同的电势的另外的固定结构进一步限制，以便避免上述效应。
非常受限制的运动自由度结合软的悬挂的要求(以便得到高敏感性)导致，当震动质量20a处于止挡上时，该震动质量的机械复位力非常小并且仅通过范德华力已经可以导致震动质量20a保持粘附在止挡上。存在非常多的方案来减少这种粘附行为，但是，其中，不能提升小的复位力。
图3示出所提出的微机械惯性传感器100的实施方式的俯视图。可看出，为了探测可运动的震动质量20a的偏移，设置有电极20c、20d的彼此嵌接的梳状结构。作为电容式探测结构的梳状结构在不同领域中已知，但是不能满足前面提到的高敏感性的主要要求。为了能够实现这种要求并且同时不丧失梳状结构的其他优点，提出下面描述的改型。
首先设置为，梳状结构的基本重叠部分或者说传感区域L构造得小于梳状结构的可能的最大机械偏移。这在图4中原理性示出，该图在三个视图a)、b)和c)中示出电极20c、20d的梳状结构的不同阶段。可看出固定的、梳状的第二电极20d与可运动的、指形的第一电极20c在功能上共同起作用。
在图5a中可看出，在未偏移的基本位置中第一电极20c到第二电极20d中的沉入深度小于电极20c、20d的总纵向延伸尺度的35％、优选小于25％。图5b示出电极20c、20d基于最大负加速度的位态，其中，以该方式可以使第一电极20c完全布置在第二电极20d外部。图5c示出关于传感器的测量范围、尤其是线性测量范围而言的最大正加速度的结果。图5e示出最大正加速度的结果，其中，可看出，所述偏移远超过测量范围。
此外，图5示出，电极20c、20d的梳指宽度也可以在指高度的范围内改变。第一电极20c的指尤其可以这样构造，使得在所述指的中间区域的指顶端和第二电极20d之间的宽度在第二电极20d压入到第一电极20c中时减小，由此结果是在第一电极20c沉入到第二电极中期间在电极20c、20d之间的间隙宽度d改变。在此，这样小得选择第一电极20c的宽度增加，使得所述指在超出所设置的测量范围之外还可以偏移到第二电极20d的对应梳中，如在图5d和5e中原理性示出。
还提出，使用尤其沿传感器的探测方向、例如沿x方向比以前明显更软的结构，并且同时具有第一电极20c的震动质量20a沿与该探测方向垂直的方向、即例如沿y方向明显更硬地悬挂。
此外提出，电极20c、20d的梳状结构这样构造，使得所述梳状结构在外部作用有相应于最大测量范围的加速度的情况下还不会机械碰撞。
此外，如在图5中示出，可以设置为，可运动的第一电极20c的指在后部区域中主要同样宽地构造或比电极20c的指在前部区域中的最大宽度更窄地构造。
有利地，在小的基本电容的情况下通过小的指重叠部分可以实现每单位偏移量的高电容变化，如在图5中示出的那样。由此可以有利地使用噪音非常低的电子分析处理电路。
此外，通过小的指重叠部分可以有利地实现，在电极20c的指结构完全沉入到电极20d的梳状结构中之前已经达到完全最大测量信号，如在图5c中示出的那样。这意味着，在施加超出完全的测量信号的加速度的情况下电极20c的指结构可以实施进一步的沉入运动，如在图5d、5e中表明的那样。电极20c的指结构的碰撞只有在加速度明显高于最大测量加速度的情况下才发生。由此，在碰撞中的复位力大得多，并且由此可以有利地防止在碰撞中的粘附。
图6示出梳状电极20c、20d的其他可能配置。与图5的配置不同的是，在这种情况下在电极20d的传感区域L的沿探测方向的前部区域平行于传感方向地构造，其中，在传感区域L之后可看出在第二电极20d内部的扩宽。
在电极20c、20d的其他未示出的变型方案中也可以设置为，仅第一电极20c或者仅第二电极20d具有扩宽的和变窄的区段。
基于梳状电极20c、20d的这些前面阐释的特定形状得出以下优点：
一般的梳状结构具有大的基本电容和小的电容变化。与之相对地，所提出的组件具有高敏感性，该高敏感性所基于的理由如下：
-基本电容由于电极20c、20d的较小的基本重叠部分而减小；
-电容变化通过指宽度的变化增大。在电极20c、20d沉入彼此时电极20c、20d的重叠面积增大，而如在传统传感器中在电极之间的间距由于指形状也减小；
-梳状结构可以基于可运动的震动质量20a的较软的悬挂更深地沉入彼此；
-新的梳状结构由于面积变化和间距变化的混合效应在输出电信号方面比传统传感器明显更线性。借助所述梳状结构尤其能够通过指的形状调节敏感性特征曲线。由此例如可以产生尽可能线性的特征曲线。但也可以产生在高加速度时更不敏感的特征曲线，以便能够以该方式覆盖更大的测量范围。为了实现这种情况，尤其也可以使所述指向后又逐渐变窄。传统传感器的特性刚好相反。在传统传感器中，与线性的偏差导致，所述传统传感器刚好在可注意到的小的加速度的情况下提供较小的信号并且在大的加速度信号的情况下提供过大的信号。
电极20c、20d的梳状结构可以如此设计，使得第一电极20c可以超出最大传感区域L地沉入到第二电极20d中。以该方式，复位力可以仅通过几何形状调节并且相应大地设计。
防止电极20c、20d之间发生碰撞并从而短路的机械止挡元件或者说停止器元件(在附图中未示出)可以如此设计，使得所述元件仅无关紧要地减小第一电极20c的最大机械偏移。在此，机械止挡可以构造为停止器元件，所述停止器元件能够实现第一电极20c到第二电极20d中的约90％的沉入。在传统传感器中，所提到的止挡典型地这样设计，使得所述止挡在电极长度的约三分之二之后已经变得起作用，这意味着对传统传感器也需要的运动自由度的明显限制。
为了测量电容，必须将电压施加到电极20c、20d上，其中，可运动的震动质量20a的复位力随着偏移线性地增大。在电极20c、20d之间的力是极度非线性的并且由此在小电压的情况下导致所谓的扣合效应，该扣合效应产生高的吸引力并且引起电极20c、20d的碰撞。
在传统梳状电极中两个力具有线性行为，因此不出现扣合效应。为了实现该效应，有利的是，设置电极的形状，该电极向后又逐渐变窄或至少不变宽。
而通过本发明提出的电极20c、20d的梳状结构有利地针对衬底的小的扭曲不敏感。可运动的震动质量20a借助于弹簧元件20b沿探测方向较软地悬挂并且沿该方向较剧烈地偏移。通过电极的小的移位引起的误差信号生成相应较小的误差信号。
如参照图5、6可看出，有利地可能的是，第一电极20c和第二电极20d的形状不必一致。如在图6中示出，可以有利的是，对于电极20c、20d也设置不同的形状。作为示例提到以下组件，该组件在小的加速度的情况下要提供非常敏感的信号并且在大的加速度的情况下要提供非线性的、不敏感的信号，以便覆盖尽可能大的测量范围。在该情况下可以有利的是，两个梳状电极20c、20d中的仅一个梳状电极具有宽度从尖端朝着中间变大的形状，而第二梳状电极也可以具有宽度不改变或宽度甚至减小的形状。可看出，未在附图中示出的多种造型可以用于电极20c、20d。
所述组件不限制于以下电极对，在该电极对中两个电极20c、20d中的一个电极固定在衬底上。重要的仅是，电极在作用有加速度时改变彼此的间距。
图7示出所提出的用于制造微机械惯性传感器100的方法的原理流程。
在步骤200中提供具有梳状构造的第一电极20c的、固定在衬底上的可运动的震动质量20a。
在步骤210中提供固定在衬底上的第二电极20d，其中，电极20c、20d这样构造，使得在不施加外部加速度的情况下第一电极20c与第二电极20d沿传感方向的重叠L限定地小并且小于约35％、优选小于约25％。
尽管前面参照具体实施例描述本发明，但本领域技术人员也可以实现前面未公开或仅部分公开的实施方式，而不偏离本发明的核心。
Claims (9)
1.微机械惯性传感器(100)，具有：
-固定在衬底上的能运动的震动质量(20a)，该震动质量具有梳状构造的第一电极(20c)；
-固定在所述衬底上的第二电极(20d)，其中，所述电极(20c、20d)这样构造，使得在未施加外部加速度的情况下所述第一电极(20c)与所述第二电极(20d)沿传感方向的重叠部分(L)限定地小并且小于约35％、优选小于约25％。
2.根据权利要求1所述的微机械惯性传感器(100)，其特征在于，在关于所述惯性传感器(100)的测量范围的最大负加速度的情况下所述第一电极(20c)与所述第二电极(20d)沿传感方向的所述重叠部分(L)是这样的，使得所述第一电极和所述第二电极的端部区段限定地小地重叠或相对彼此小于所述第一电极(20c)和所述第二电极(20d)的所述端部区段之间的间距(d)地间隔开。
3.根据权利要求1所述的微机械惯性传感器(100)，其特征在于，第一电极(20c)和/或所述第二电极(20d)的至少一个区段不平行于所述传感方向地构造，并且不平行于所述传感方向构造的所述区段在机械方面不限制所述第一电极(20c)和/或所述第二电极(20d)沿传感方向的运动。
4.根据前述权利要求中任一项所述的微机械惯性传感器(100)，其特征在于，所述第二电极(20d)的至少一部分这样构造，使得所述第二电极(20d)的宽度沿传感方向在传感区域之后构造成宽度保持不变或以扩宽的方式构造。
5.根据前述权利要求中任一项所述的微机械惯性传感器(100)，其特征在于，所述震动质量通过弹簧元件附接在所述衬底上，其中，所述弹簧元件这样构造，弹簧刚性沿传感方向限定地软地构造并且正交于所述传感方向限定地硬地构造。
6.根据前述权利要求中任一项所述的微机械惯性传感器(100)，其特征在于，所述第一电极或所述第二电极的至少一部分在基本状态中在所述重叠部分(L)的区域中这样构造，使得当所述电极沿传感方向沉入彼此时，在所述电极(20c、20d)之间的间距在部分区域中减小。
7.根据前述权利要求中任一项所述的微机械惯性传感器(100)，其特征在于，所述第一电极或所述第二电极的至少一部分在所述基本状态中在所述重叠部分(L)之外的区域中这样构造，使得当所述电极沿传感方向沉入彼此时，在所述电极(20c、20d)之间的间距在部分区域中增大。
8.根据前述权利要求中任一项所述的微机械惯性传感器(100)，其特征在于，设置停止器元件，其中，借助于所述停止器元件能限制所述第二电极(20d)到所述第一电极(20c)中的沉入深度。
9.用于制造微机械惯性传感器(100)的方法，具有以下步骤：
-提供具有梳状构造的第一电极(20c)的、固定在衬底上的能运动的震动质量(20a)；
-提供固定在所述衬底上的第二电极(20d)，其中，所述电极(20c、20d)这样构造，使得在未施加外部加速度的情况下所述第一电极(20c)与所述第二电极(20d)沿传感方向的重叠部分(L)限定地小并且小于约35％、优选小于约25％。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102017220412.5A DE102017220412A1 (de) | 2017-11-16 | 2017-11-16 | Mikromechanischer Inertialsensor |
| DE102017220412.5 | 2017-11-16 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109798972A true CN109798972A (zh) | 2019-05-24 |
Family
ID=66335738
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201811364079.0A Pending CN109798972A (zh) | 2017-11-16 | 2018-11-16 | 微机械惯性传感器 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20190146003A1 (zh) |
| CN (1) | CN109798972A (zh) |
| DE (1) | DE102017220412A1 (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113401862A (zh) * | 2021-07-13 | 2021-09-17 | 苏州敏芯微电子技术股份有限公司 | 惯性传感器及其制备方法 |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102017219901B3 (de) * | 2017-11-09 | 2019-01-10 | Robert Bosch Gmbh | Mikromechanischer z-Inertialsensor |
| JP2021021676A (ja) * | 2019-07-30 | 2021-02-18 | セイコーエプソン株式会社 | 慣性センサー、電子機器および移動体 |
| EP3778469B1 (de) | 2019-08-16 | 2023-02-22 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Mems-bauteil, baugruppe mit dem mems-bauteil und verfahren zum betreiben des mems-bauteils |
| DE102020203468A1 (de) | 2020-03-18 | 2021-09-23 | Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Mikromechanisches Bauteil für eine Sensorvorrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Sensorvorrichtung |
| US11906693B2 (en) * | 2022-05-30 | 2024-02-20 | Huazhong University Of Science And Technology | Variable-area comb capacitor-based MEMS relative gravimeter probe and gravimeter |
| DE102022209435A1 (de) * | 2022-09-09 | 2024-03-14 | Carl Zeiss Smt Gmbh | Verfahren zur Kalibrierung eines Spiegelarrays |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3606164B2 (ja) * | 2000-06-02 | 2005-01-05 | 株式会社村田製作所 | 静電容量型外力検出装置 |
| US6874363B1 (en) * | 2003-10-31 | 2005-04-05 | Honeywell International, Inc. | Trapped charge field bias vibrating beam accelerometer |
| DE102009028924A1 (de) * | 2009-08-27 | 2011-03-03 | Robert Bosch Gmbh | Kapazitiver Sensor und Aktor |
-
2017
- 2017-11-16 DE DE102017220412.5A patent/DE102017220412A1/de active Pending
-
2018
- 2018-11-14 US US16/190,700 patent/US20190146003A1/en not_active Abandoned
- 2018-11-16 CN CN201811364079.0A patent/CN109798972A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113401862A (zh) * | 2021-07-13 | 2021-09-17 | 苏州敏芯微电子技术股份有限公司 | 惯性传感器及其制备方法 |
| CN113401862B (zh) * | 2021-07-13 | 2024-05-14 | 苏州敏芯微电子技术股份有限公司 | 惯性传感器及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE102017220412A1 (de) | 2019-05-16 |
| US20190146003A1 (en) | 2019-05-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109798972A (zh) | 微机械惯性传感器 | |
| US5618989A (en) | Acceleration sensor and measurement method | |
| KR100737708B1 (ko) | 마이크로메카니컬 각 가속도 센서 | |
| CN102495234B (zh) | 一种双面对称弹性梁结构电容式微加速度传感器及方法 | |
| US9279822B2 (en) | Micromechanical structure and method for manufacturing a micromechanical structure | |
| EP2868623B1 (en) | All-silicon electrode capacitive transducer on a glass substrate | |
| KR102115504B1 (ko) | 센서의 댐핑 | |
| TWI615349B (zh) | 混合整合構件 | |
| WO2013030798A1 (en) | I improved detection structure for a z-axis resonant accelerometer | |
| FI81915B (fi) | Kapacitiv accelerationsgivare och foerfarande foer framstaellning daerav. | |
| US11125771B2 (en) | Micromechanical z-inertial sensor | |
| JP2004506203A (ja) | マイクロマシニング技術を用いた構成素子 | |
| CN111186810B (zh) | 微机械结构元件 | |
| US8402827B2 (en) | Sensor element and method for operating a sensor element | |
| CN106061889B (zh) | 具有分开的、电绝缘的活动结构的微机械组件以及用于运作这种组件的方法 | |
| US10656173B2 (en) | Micromechanical structure for an acceleration sensor | |
| CN102101637B (zh) | 嵌入横向可动电极的微惯性传感器 | |
| JP5292600B2 (ja) | 加速度センサ | |
| US8493078B2 (en) | Sensor for capacitive detection of a mechanical deflection | |
| JP2004510984A (ja) | マイクロメカニカル構成部材のために電気的ゼロ点調整するための方法および装置 | |
| CN109387659B (zh) | 转速传感器，用于制造转速传感器的方法 | |
| JP4329275B2 (ja) | 力学量センサ | |
| KR101521712B1 (ko) | 압저항 감지모듈 및 이를 포함하는 mems 센서 | |
| JP2002350459A (ja) | 振動センサ、及び振動センサの製造方法 | |
| KR20200043816A (ko) | Mems 가속도계 및 이의 제조 방법 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20190524 |